基于PC的數字電視白平衡測量調整儀設計

本文介紹了一種基于PC的白平衡自動(dòng)測量調整儀的系統結構和基本原理。該系統的測試信號發(fā)生、調整信號輸出、白場(chǎng)色度測量均由PC控制，實(shí)現了基于PC的測控一體化。該測量調整儀可用于有I2c接口的數字電視的白平衡調整，通過(guò)適當調整還可用于彩屏手機和LCD顯示器等的白平衡調整。

數字電視的巨大市場(chǎng)為消費電子廠(chǎng)家看好，目前已經(jīng)成為各家電廠(chǎng)家的開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)。在對TV色彩效果要求愈來(lái)愈高的情況下，白平衡調整成為T(mén)V質(zhì)量控制的必備工 序。與模擬電視不同，數字電視的白平衡調整采用不同的方法，因此需要不同的白平衡調整設備。本文介紹一種基于PC的白平衡自動(dòng)測試調整設備，該設備適用于 數字電視的生產(chǎn)質(zhì)量控制?；谕瑯釉?，工程師可開(kāi)發(fā)適用于彩屏手機、PDA、可視電話(huà)等有顯示色彩質(zhì)量要求的產(chǎn)品的白平衡調整控制設備。

基準白與白平衡調整

在色度學(xué)上， 常以白色作為標準，作為分解、重現顏色的參考。在彩色電視系統中，攝像端和顯像端都應選擇一個(gè)基準白色，作為傳輸彩色圖像的參考白色。如果電視屏幕上顯示 的白色不等于基準白，在彩色電視顏色復現時(shí)會(huì )產(chǎn)生較大的顏色失真。我國彩色廣播標準和彩色電視接收機白場(chǎng)色溫及其寬容度標準中，都規定選取D65白場(chǎng)色溫 作為分解、傳送、重現彩色電視信號的基準白。D65(色溫為6500K，7MPCD，色坐標x0=0.313、y0=0.329)是白晝太陽(yáng)光的平均色 溫，基準白的色度坐標誤差超標時(shí)會(huì )影響彩色圖像的再現，降低圖像質(zhì)量。因此，要對偏離的白場(chǎng)進(jìn)行調整使之接近標準白，這就是白平衡調整。彩色電視機的白平 衡調整保證彩色電視機重現不同亮度的彩色圖像時(shí)色溫基本保持不變，不出現附加顏色。

彩色電視機的白場(chǎng)由紅綠藍三電子束轟擊熒 光屏上相應的三色熒光粉形成，當送到彩色顯象管紅(R)、綠(G)、藍(B)三路電壓相等時(shí)產(chǎn)生白色。但由于實(shí)際紅、綠、藍三個(gè)調制極的截止電壓不完全相 同，其調制特性和R、G、B三種熒光粉的發(fā)光效率和色坐標與理論值有差異，為此必須進(jìn)行白平衡調整。白平衡調整就是通過(guò)使RGB三路輸出電壓不相等使各電 子束電流比例稍微有些差異，從而彌補三電子束和三種熒光粉在性能上的差，見(jiàn)圖1。

現有的模擬電視在生產(chǎn)線(xiàn)上實(shí)際的白平衡調整 過(guò)程為給被調彩色電視機加上半白半黑的白平衡信號，通過(guò)彩色分析儀或白平衡儀測量出亮場(chǎng)和暗場(chǎng)的色坐標相對于標準白場(chǎng)色坐標的偏差，根據偏差值同時(shí)調整五 個(gè)電位器的大小來(lái)改變彩色電視機的截止電壓和激勵電壓，使彩色電視機在這兩個(gè)亮度下的白場(chǎng)與標準白場(chǎng)一致，從而保證在其它亮度下彩色電視機的白場(chǎng)基本上與 基準白的白場(chǎng)一致。

數字電視中的白平衡調整與模擬式彩電的白平衡調整不同，它不是調整電位器，而是通過(guò)I2C總線(xiàn)將調節數據 送給該電視機中的微處理器，微處理器接收到調整數據后，改變相關(guān)控制寄存器的值，從而使內部有關(guān)控制器件的輸出模擬量大小發(fā)生變化，實(shí)現對驅動(dòng)顯像管的 R、G、B三槍的電流調節，達到白平衡調整目的。

用于調整白平衡的數據通常有5個(gè), 其中三個(gè)為R、G、B三槍截止電壓控制，另兩個(gè)為束流控制，即激勵電壓控制。

系統結構

圖2 是針對數字電視的白平衡調節系統的結構框圖，它由兩塊PC機插卡組成，一塊是白場(chǎng)電視信號發(fā)生器電路，同時(shí)也包含和I2C總線(xiàn)接口的調節信號輸出電路。白 場(chǎng)電視信號發(fā)生器核心采用飛利浦公司的視頻編碼器IC芯片TDA8501來(lái)生成復合電視信號，該板卡中采用12位分辨率的D/A輸出，提供R、G、B輸入 電平給TDA8501。D/A的輸出由PC軟件設定值控制，可靈活改變使輸出圖像具有任意性，既可產(chǎn)生白場(chǎng)信號又可產(chǎn)生單色信號。輸出信號的亮度也可以選 擇，為單色定標提供了方便，通過(guò)改變RGB的值可實(shí)現亮度設定與跟蹤。另一塊是色度參數測量和信號采集電路，該電路由放大電路、A/D轉換電路、單片機及 接口電路、RS232通訊接口電路組成，主要完成測量和定標工作。該電路將探頭送來(lái)的電信號放大，A/D轉換后通過(guò)計算來(lái)得到測量值。測量工作由單片機控 制，同時(shí)單片機負責與主機通訊，以接受主機的指令和進(jìn)行數據傳輸。

調節信號輸出器由I2C控制器PCF8584組成，用于將計算后得到的5個(gè)白平衡調節控制數據送上I2C總線(xiàn)，傳給被調節彩電。

光探頭采用色度型探頭，由硅光電池制成，它與濾色片配合可將色度信號轉換為與三刺激值成正比的電流信號，送入信號采集板。視頻/射頻轉換器將信號發(fā)生器板產(chǎn)生的視頻信號轉換為射頻信號，送入電視機天線(xiàn)入口處。整個(gè)系統在設定好后，可實(shí)現對彩電的在線(xiàn)自動(dòng)白平衡調節。

測量的基本原理

測量要用到光輻射學(xué)和色度學(xué)相關(guān)知識。在顏色測量中，首要的任務(wù)是測定色刺激值函數φ(λ)，實(shí)際上是要測定被測光源的相對光譜功率分布Pe(λ)。再根據色度學(xué)的三個(gè)基本方程式求得顏色的三刺激值X、Y和Z為：

EQ1

其中,X-(λ)、Y-(λ)、Z-(λ)是CIE標準色度觀(guān)察者光譜三刺激值函數，其圖形如圖3示。

在得到了顏色三刺激值之后，可由下式求出該顏色在CIE色度坐標系統中的色品坐標值：EQ2

本儀器用光電積分法來(lái)測量，光電積分法是通過(guò)把探測器的光譜響應匹配成所要求的CIE標準色度觀(guān)察者光譜三刺激曲線(xiàn)，或某一特定的光譜響應曲線(xiàn)，來(lái)對被測量 的光譜功率進(jìn)行積分測量。我們選用色度型探頭，用硅光電池來(lái)測量。硅光電池在零偏置時(shí)，輸出電流與光照成線(xiàn)性關(guān)系,此時(shí)的輸出短路電流為：

EQ3

SI為光電池的靈敏度，E為光照，這樣可測定被測光源的相對光譜功率分布Pe(λ)。事先用濾波片將探頭光譜響應匹配成X-(λ)、Y-(λ)、Z-(λ)，這樣經(jīng)電流-電壓轉換，然后此電壓經(jīng)放大器放大再進(jìn)行A/D轉換，便得到了與三刺激值X、Y和Z成正比的數字量，由它可進(jìn)一步計算出色坐標值x、y。

工作過(guò)程和測控程序

由前面的論述可知，PC白平衡調整系統是一個(gè)閉環(huán)的自動(dòng)測量和控制系統。它的工作過(guò)程分為信號發(fā)生和調節、測量、誤差計算、反饋調節信號輸出等過(guò)程。

系統上電后，先通過(guò)信號發(fā)生器給彩電發(fā)出一個(gè)由使用者通過(guò)PC控制軟件設定亮度值的白場(chǎng)信號，然后測量電路就開(kāi)始測量。

整個(gè)系統的測量部分分別由三個(gè)亮場(chǎng)和暗場(chǎng)探頭、前置六路放大器、A/D轉換器、89c52微處理器等組成，亮場(chǎng)和暗場(chǎng)探頭由光譜響應被匹配成X-(λ)、Y -(λ)、Z-(λ)的探測器組成。整個(gè)測量過(guò)程如下：彩色電視機發(fā)出的光信號經(jīng)探頭的光電轉換后，生成亮場(chǎng)的Xr、Y、Z和暗場(chǎng)的Xr、Y、Z六路信 號；系統通過(guò)切換來(lái)控制六路信號的放大和處理；得到的六路信號經(jīng)過(guò)前置放大器放大后，然后通過(guò)A/D轉換器轉換成數字量送到89c52微處理器中；最后通 過(guò)89c52微處理器來(lái)進(jìn)行相關(guān)的色度參數運算，得到該彩色電視機的各項色度參數，如亮場(chǎng)和暗場(chǎng)的色坐標、亮度、歸一化后的RGB值。

上位PC機通過(guò)RS232得到當前的測量結果，如R/G、B/G、G的大小，由精心研究和實(shí)驗過(guò)的算法來(lái)決定如何調節彩色電視機顯象管各槍的截止電壓和激勵 電壓，是增大還是減小各槍的截止電壓和激勵電壓，從而調整亮、暗平衡，最后達到白平衡。這當中上位PC機通過(guò)I2C總線(xiàn)接口來(lái)完成對彩色電視機顯象管各槍 的截止電壓和激勵電壓的控制，也就是通過(guò)I2C總線(xiàn)控制器PCF8584向彩電發(fā)出調整數據。彩電內的RGB截止/驅動(dòng)控制器件TA8889(I2C器 件)接收到調整數據后，即改變控制彩色電視機顯象管各槍的截止電壓和激勵電壓的寄存器的值，從而調整亮、暗平衡。這就是自動(dòng)調整過(guò)程。測量前要先定標以保 證精度。

本文小結

本調整儀的測試信號發(fā)生、調整信號輸出、白場(chǎng)色度測量均由PC控制，實(shí)現了基于PC的測控一體化，讓使用者通過(guò)軟件能在線(xiàn)干預測控的全過(guò)程。在彩屏手機、PDA、可視電話(huà)、LCD顯示屏的生產(chǎn)中，同樣存在白平衡調整問(wèn)題，本測試儀所用色度測量原理經(jīng)適當改進(jìn)，也同樣適用。